國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

創(chuàng)新者：張玲雨　易文明　任 翔　王 強(qiáng)　張 令

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

創(chuàng)新者：張玲雨易文明任 翔王 強(qiáng)張 令

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)，以及雙參量光時(shí)域反射技術(shù)，利用沿光纜傳輸?shù)暮笙蛉鹄⑸涔庀喔商綔y(cè)外部入侵，并根據(jù)注入光脈沖與接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲定位入侵地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離、連續(xù)多點(diǎn)的分布式入侵監(jiān)測(cè)與報(bào)警，并徹底解決了誤報(bào)問題。滿足鐵路一線對(duì)事故預(yù)防及安全預(yù)警等安全生產(chǎn)的要求。

概述

基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR） 技術(shù)的國鐵光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用沿光纜傳輸?shù)暮笙蛉鹄⑸涔庀喔商綔y(cè)外部入侵，并根據(jù)注入光脈沖與接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲定位入侵地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離的分布式入侵監(jiān)測(cè)與報(bào)警。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是整個(gè)光纜均為敏感區(qū)域，靈敏度高、定位精度高、實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)處理簡單。在處理終端，通過時(shí)域、頻域多種信號(hào)分析方法、多參數(shù)特征提取方法等現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長距離周界上單點(diǎn)和多點(diǎn)同時(shí)入侵的準(zhǔn)確檢測(cè)、精確定位。該系統(tǒng)還可以根據(jù)特定算法對(duì)于環(huán)境及非人為因素入侵予以排除，只對(duì)具有威脅性的行為進(jìn)行及時(shí)的聲光報(bào)警，報(bào)警同時(shí)對(duì)入侵的具體位置進(jìn)行數(shù)字地圖定位顯示，并與入侵對(duì)應(yīng)位置的攝像頭進(jìn)行視頻聯(lián)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)具有SQL數(shù)據(jù)庫管理功能，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警日志進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄、跟蹤、調(diào)用和管理。

系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

圖1　國鐵光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光纖圍欄組成示意圖

雙參量光時(shí)域反射技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高靈敏度振動(dòng)探測(cè)模塊對(duì)微弱的振動(dòng)信號(hào)敏感，保證了系統(tǒng)的靈敏度和檢測(cè)率，可對(duì)翻越周界護(hù)欄的入侵行為進(jìn)行有效捕捉和預(yù)警。光纜應(yīng)變探測(cè)模塊只對(duì)較大的光纜彎曲應(yīng)變敏感（但對(duì)振動(dòng)不敏感），可對(duì)翻越周界護(hù)欄的入侵動(dòng)作可以進(jìn)行二次判別和有效確認(rèn)。通過一根光纜獲得雙重判據(jù)，在保證檢測(cè)率的基礎(chǔ)上大幅降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。

OTDR光時(shí)域反射技術(shù)優(yōu)勢(shì)：基于OTDR（光時(shí)域反射）技術(shù)的光纖分布式定位型周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全程無源、抗電磁干擾、抗雷擊、定位精確、靈敏度高、超長距離監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在技術(shù)上與防區(qū)型的光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比的優(yōu)勢(shì)：在監(jiān)測(cè)距離、定位精度和防誤報(bào)這三個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。并具備多點(diǎn)入侵同時(shí)監(jiān)測(cè)與定位功能。

工程上的優(yōu)勢(shì)：光纖分布式定位型周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單根振動(dòng)傳感光纜單向布設(shè)，無需構(gòu)成回路，并且單套系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離可達(dá)數(shù)十公里，無需續(xù)接輔件（無中繼和續(xù)接單元），大幅降低了施工難度和后期維護(hù)成本。

圖2　雙參量光時(shí)域反射技術(shù)組成示意圖

圖3　國鐵光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警示意圖

圖4　國鐵光纖分布式周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)的特色

實(shí)時(shí)報(bào)警：響應(yīng)時(shí)間＜0.1 s ；

極高探測(cè)率：入侵探測(cè)率100% ；

極低誤報(bào)率：誤報(bào)率＜2% ；

單套系統(tǒng)監(jiān)測(cè)防護(hù)范圍：10-60km不等 ；

定位精度：可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)周界沿線的連續(xù)定位。入侵定位精度為±10m；

可實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)以上的多點(diǎn)入侵同時(shí)監(jiān)測(cè)，多點(diǎn)入侵的定位精度有保證；

可以在單套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)周界不同入侵行為和環(huán)境干擾的雙重判斷，從而大大降低了系統(tǒng)的誤報(bào)率；

具備聲光報(bào)警及數(shù)字地圖定位功能 ；

具備設(shè)備故障自查和反破壞能力 ；

具備數(shù)據(jù)庫管理功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及報(bào)警日志的自動(dòng)輸入、查詢、調(diào)用與管理 ；

具備視頻聯(lián)動(dòng)（遙視、搖控）功能 ；

手動(dòng)設(shè)置報(bào)警門限 ；

全天候運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控 。

本文將就國鐵光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論。

系統(tǒng)設(shè)備組成

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示，由三個(gè)主要部分組成：入侵探測(cè)光纜、入侵信號(hào)解調(diào)主機(jī)和控制主機(jī)單元。入侵信號(hào)解調(diào)主機(jī)由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光方法系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)以及激光處理系統(tǒng)等部分集成?？刂浦鳈C(jī)單元作為上位機(jī)，基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和信息顯示，信息處理和數(shù)據(jù)通信等功能。

處理終端

系統(tǒng)處理終端由處理主機(jī)、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)等外設(shè)構(gòu)成，由于本系統(tǒng)涉及海量數(shù)據(jù)運(yùn)算，系統(tǒng)配置最低要求如下：

操作系統(tǒng)：Windows XP/7/ME/2000

CPU速度與類型：2GHZ Intel Pentium Ⅳ處理器

硬盤空間：500M剩余硬盤空間

內(nèi)存：1G

CD/DVD-ROM驅(qū)動(dòng)器：16倍速以上

輸入設(shè)備：鍵盤，鼠標(biāo)

系統(tǒng)推薦配置為：

操作系統(tǒng)：Windows 7

CPU速度與類型：1.5GHZ Intel Core dual 處理器或更好

硬盤空間：80G

內(nèi)存：4G

CD/DVD-ROM驅(qū)動(dòng)器：16倍速以上

輸入設(shè)備：鍵盤，鼠標(biāo)

入侵信號(hào)解調(diào)設(shè)備

入侵信號(hào)解調(diào)設(shè)備，如圖3所示，是國鐵光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心器件，其監(jiān)測(cè)原理是將光纖一端注入光脈沖信號(hào)，探測(cè)后向瑞利散射光，由于注入光纖中的激光線寬很窄，具有很好的相干性，因此入侵信號(hào)解調(diào)設(shè)備探測(cè)的信號(hào)實(shí)際上就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖線路上的某個(gè)位置由于入侵而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，光纖相應(yīng)位置的折射率將發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該處光相位發(fā)生變化，由于干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強(qiáng)發(fā)生變化，所以這些光強(qiáng)變化的時(shí)間將會(huì)對(duì)應(yīng)于入侵發(fā)生的位置。

入侵信號(hào)解調(diào)主機(jī)是光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，如下圖所示。該主機(jī)光纖通道的光學(xué)接口類型為FC-APC接口。

主要技術(shù)指標(biāo)：

監(jiān)測(cè)長度：0-10km，0-20km，0-40km

報(bào)警定位精度：±10～20m

報(bào)警響應(yīng)時(shí)間：＜3s

入侵檢測(cè)率：100%

誤報(bào)率：＜2%

響應(yīng)頻率：0～500HZ

連接方式：單端連接

通信接口：100M以太網(wǎng)

工作溫度：-15～+45℃

存儲(chǔ)溫度：-30～+60℃

環(huán)境濕度：5～90%（無凝露）

供電：AC 100～240V，50～60HZ

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件連接

圖5　入侵信號(hào)解調(diào)設(shè)備實(shí)物圖

圖6　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件連接示意圖

該系統(tǒng)硬件連接方式：（1）探測(cè)光纜與入侵系統(tǒng)解調(diào)主機(jī)之間通過FC-APC光纜接口方式連接；（2）入侵信號(hào)解調(diào)主機(jī)與控制主機(jī)之間采用網(wǎng)線連接；（3）控制主機(jī)與其它監(jiān)控系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)連接。

傳感光纜及其工程施工

探測(cè)光纜安裝方式根據(jù)具體周界類型不同可進(jìn)行靈活調(diào)整。對(duì)于周界圍欄的掛網(wǎng)安裝方式，一般在網(wǎng)面上采用S型或直線型的路徑布設(shè)光纜，光纜長度對(duì)實(shí)際物理距離長度的推薦比例為1.5～2：1。整個(gè)鋪設(shè)光纜的線路即為所監(jiān)控的區(qū)域周界。沿著需要監(jiān)控的區(qū)域?qū)⒐饫|按上述方式布鋪設(shè)好，光纜上下端固定處可采用尼龍綁帶固定，光纜布設(shè)過程中應(yīng)避免光纜被拉的太緊或者彎曲太大，導(dǎo)致傳輸?shù)墓庑盘?hào)衰減較大影響傳感光纜的有效檢測(cè)距離。部分光纜布設(shè)實(shí)例如圖7所示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件通過控制數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，并通過后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理，監(jiān)控防護(hù)周界上的傳感光纜狀態(tài)，并將處理結(jié)果進(jìn)行報(bào)警輸出，通過報(bào)警聲音提示保安人員作及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)將報(bào)警入侵的具體地點(diǎn)顯示在程序主界面的數(shù)字地圖上。同時(shí)，通過視頻聯(lián)動(dòng)，可以控制視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域或入侵地域的圖像記錄和捕捉。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件包括光纖主機(jī)的周界入侵檢測(cè)識(shí)別模塊、可視化綜合交互功能模塊、數(shù)據(jù)庫日志綜合管理功能模塊、周界入侵視頻聯(lián)動(dòng)模塊4個(gè)主要功能模塊，以及登錄及權(quán)限管理等其他功能模塊。

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到光纜擾動(dòng)，懷疑有入侵行為時(shí)，監(jiān)控軟件會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到電子地圖的監(jiān)控主頁面，點(diǎn)亮“黃色”預(yù)警燈，在電子地圖上顯示該入侵位置以及該入侵點(diǎn)所處的區(qū)段，并將其對(duì)應(yīng)的光纜位置及物理位置等信息顯示于界面右邊報(bào)警信息欄中，如圖8所示。

結(jié)束語

本文對(duì)國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析和探討，提出了硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用進(jìn)行的描述。該系統(tǒng)在國鐵系統(tǒng)，特別是高鐵系統(tǒng)的推廣運(yùn)用，將有效提高鐵路非法入侵檢測(cè)的能力，對(duì)入侵行為提前預(yù)警、精準(zhǔn)定位、快速反應(yīng)，準(zhǔn)確報(bào)警，全面提升鐵路非法入侵的防護(hù)，實(shí)現(xiàn)物防、技防、聯(lián)防、人防四防一體化水平，為確保鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的安全，發(fā)揮保駕護(hù)航的重要作用。

圖7　S型布纜安裝方式

圖8　監(jiān)控主界面的入侵預(yù)警提示

張玲雨易文明任翔王 強(qiáng)張 令

長龍鐵路電子工程有限公司

張玲雨，工程師；易文明，工程師；任翔，工程師；王強(qiáng)，高級(jí)工程師；張令，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.022